中文导读
太阳能电池板最怕什么?吸光能力强的材料,往往很快就把吸收来的能量“浪费”掉。牛津大学牵头的一项新研究发现,一种叫硫化铋的材料似乎能绕开这个难题:它吸光很强,电荷消失得却慢得多。文章先用简单的语言解释太阳能电池中电子和“空穴”的作用,再交代研究人员如何用激光和不同温度做实验,接着说明计算揭示的原因,最后介绍这项发现可能带来的用处和研究者强调的局限。阅读时可留意 However、Because、Still 等词如何引出转折与因果,以及文中如何区分“已经证明的机制”和“尚未做成的电池”。
正文
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太阳能电池板有一个不容易被看到的问题:最擅长捕捉阳光的材料,往往最不擅长留住捕获的能量。10 月 28 日发表在《自然》杂志上的一项新研究表明,这种取舍是可以避免的。由牛津大学牵头的研究人员发现,一种叫作硫化铋的材料能够强烈吸收光,同时让能量损失得慢得多。
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太阳能电池由半导体制成。半导体是一种吸收阳光、并利用其能量释放出被称为电子的微小粒子的材料。每个电子都会留下一个带正电的“空穴”。要产生电,这些电荷必须在电子和空穴再次相遇之前被收集起来。一旦相遇,它们就会相互抵消,所携带的能量也就浪费了。
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在大多数材料中,强吸光和持久的电荷无法兼得。吸收光越多的材料,通常电荷损失得越快。长期以来,这限制了太阳能电池能把多少阳光转化为电能。
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研究团队测试了硫化铋薄层。他们用极短的激光脉冲照射这些薄层,然后测量电荷消失的速度。他们在多种温度下重复了测试,从室温一直到略高于绝对零度——也就是可能达到的最低温度。
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牛津大学另一个小组的计算帮助解释了这些结果。这种材料主要通过能级之间一条很强的路径吸收光。然而,就在它下方还有第二条弱得多的路径,电荷在那里只会缓慢损失。由于两者非常接近,电荷有很多时间停留在这个较低的状态中,它就像一个临时的储存处。在大多数材料中,温度越低,电荷消失得越快;而在硫化铋中,正如模型预测的那样,电荷消失得更慢。研究团队估计,在室温下,与吸光能力相近的材料相比,这能把损失速率降低约 75%。
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“我们的研究表明,这种取舍并非不可避免。”领导这项研究的劳拉·赫兹教授说。持续时间更长的电荷更有机会被收集起来。它们还可能为把阳光转化为燃料的化学反应提供更多时间。
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不过,研究人员强调,他们展示的是这种材料的表现方式,而不是一块已经做好的太阳能电池。他们认为,具有同样特性的其他材料可以通过搜索数据库找到,甚至可以被设计出来。这项研究由牛津大学与中国的武汉大学合作完成,在这一想法用到屋顶上之前,还需要更多研究。
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